[發(fā)明專利]一種醫(yī)用穿刺活檢針界面交互力學(xué)性能一體化測(cè)試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011595912.X
• 申請(qǐng)日: 2020-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112649130B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王堯;薛玉坤;梅瀟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/22
• 分類號(hào): G01L1/22;G01L5/00
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1.一種醫(yī)用穿刺活檢針界面交互力學(xué)性能一體化測(cè)試方法，其特征在于它包括有若干個(gè)電阻應(yīng)變片的貼片位置與布片方式，穿刺活檢針穿刺過(guò)程中界面交互力學(xué)性能測(cè)試及表征方法，各表征方法對(duì)應(yīng)電阻應(yīng)變片的接橋方式；其中：

所述若干個(gè)電阻應(yīng)變片的貼片位置與布片方式指應(yīng)變花Ⅰ粘貼于穿刺活檢針的針頭針尖端部A點(diǎn)軸線方向的圓弧面上，其三枚應(yīng)變片1、2、3構(gòu)成45°直角應(yīng)變花；應(yīng)變花Ⅱ粘貼于穿刺活檢針的針頭斜面端部B點(diǎn)軸線方向的圓弧面上，其三枚應(yīng)變片3′、2′、1′，與A點(diǎn)應(yīng)變花Ⅰ依次對(duì)應(yīng)，也構(gòu)成45°直角應(yīng)變花；應(yīng)變片4、4′為溫度補(bǔ)償片，分別沿周向粘貼在應(yīng)變片2、2′的旁側(cè)，用作消除溫度變化的影響；應(yīng)變片5、6與應(yīng)變片2在同一橫向切面上沿周向方向120°均布粘貼，三個(gè)應(yīng)變片中心點(diǎn)在橫切面上構(gòu)成等邊三角形，其外心法線的偏移角用作偏移量計(jì)算；

所述穿刺活檢針穿刺過(guò)程中界面交互力學(xué)性能測(cè)試包括主應(yīng)力及主方向、彎矩、扭矩、偏移量，其表征方法為：

i、主應(yīng)力及主方向：

針頭針尖端部A點(diǎn)處于平面應(yīng)力狀態(tài)，若在xy平面內(nèi)，沿xy方向的應(yīng)變分別為ε_x、ε_y，切應(yīng)變?yōu)棣?Sub>xy，根據(jù)應(yīng)變分析，沿與x軸成α角的方向n，從x到n的逆時(shí)針的α為正，線應(yīng)變?chǔ)?Sub>α為：

ε_α隨α的變化而變化，在兩個(gè)相互垂直主方向上的極值為主應(yīng)變?chǔ)?Sub>1、ε₂：

兩個(gè)相互垂直的主方向α₀為：

應(yīng)變花Ⅰ的三枚應(yīng)變片1、2、3分別對(duì)應(yīng)角度-45°、0°、45°，穿刺活檢針穿刺過(guò)程中，實(shí)測(cè)時(shí)沿三個(gè)方向的應(yīng)變可直接測(cè)定，代入式(1)，可得：

ε_x＝ε_0°、ε_y＝ε_45°+ε_-45°-ε_0°、γ_xy＝ε_-45°-ε_45° (4)

將式(4)代入式(2)，可得：

穿刺活檢針的彈性模量為E、泊松比為μ，根據(jù)廣義胡克定律，可求得A點(diǎn)的主應(yīng)力σ₁、σ₂：

將式(4)代入式(3)，可得：

由式(7)求解得到相差π/2的兩個(gè)α₀，即可確定兩個(gè)相互垂直的主方向，根據(jù)應(yīng)變圓可知：

當(dāng)ε_x＞ε_y時(shí)，則由x軸起，絕對(duì)值較小的α₀確定主應(yīng)力σ₁的方向；反之，當(dāng)ε_x＜ε_y時(shí)，則由x軸起，絕對(duì)值較小的α₀確定主應(yīng)力σ₂的方向；

ii、彎矩：

針頭斜面端部B點(diǎn)的應(yīng)變花Ⅱ，與針頭針尖端部A點(diǎn)的應(yīng)變花Ⅰ依次對(duì)應(yīng)，兩點(diǎn)沿x軸方向只有因彎曲引起的拉伸和壓縮應(yīng)變，且兩者數(shù)值相等、符號(hào)相反，由應(yīng)變片4、4′測(cè)定的溫度應(yīng)變?yōu)棣?Sub>T，則A點(diǎn)應(yīng)變片2與B點(diǎn)應(yīng)變片2′的應(yīng)變差值ε_r為：

ε_r＝(ε_0°+ε_T)-(-ε_0°+ε_T)＝2ε_0° (8)

根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，由式(8)求得最大彎曲應(yīng)力σ為：

穿刺活檢針的幾何參數(shù)為外徑D、內(nèi)徑d、截面慣性矩I，則在彎矩M作用下，最大彎曲應(yīng)力σ還可由下式求得：

聯(lián)立式(9)和式(10)，可求得彎矩M為：

iii、扭矩：

當(dāng)僅考慮穿刺活檢針承受扭矩時(shí)，針頭針尖端部A點(diǎn)的應(yīng)變片1、3以及針頭斜面端部B點(diǎn)的應(yīng)變片3′、1′都沿主應(yīng)力方向；又由于主應(yīng)力σ₁和σ₂數(shù)值相等、符號(hào)相反，四枚應(yīng)變片的應(yīng)變絕對(duì)值相同，且應(yīng)變片1、1′、應(yīng)變片3、3′的應(yīng)變同號(hào)，則應(yīng)變差值ε_r為：

ε_r＝ε₍₁₎-ε₍₃₎+ε_(1′)-ε_(3′)＝4ε₁ (12)

式(12)中的ε₁為扭轉(zhuǎn)時(shí)的主應(yīng)變，根據(jù)廣義胡克定律，可得主應(yīng)力σ₁為：

此時(shí)，在扭矩T作用下，主應(yīng)力σ₁與切應(yīng)力τ相等，故：

聯(lián)立式(13)和式(14)，可求得扭矩T為：

式(15)雖然是僅承受扭轉(zhuǎn)情況，但當(dāng)在四枚應(yīng)變片中增加彎曲引起的應(yīng)變時(shí)，代入后將會(huì)相互抵消，仍然得出式(12)，所以上述扭矩表征方法同樣適用于彎扭組合的情況；

iv、偏移量：

應(yīng)變片5、6與應(yīng)變片2均布粘貼，分別為標(biāo)記點(diǎn)H、N、M，構(gòu)成等邊三角形，穿刺手術(shù)過(guò)程中的對(duì)應(yīng)測(cè)定應(yīng)變分別為ε₍₅₎、ε₍₆₎、ε₍₂₎，三角形外心o法線沿初始進(jìn)針?lè)较虻钠平菫?°，外心o與各標(biāo)記點(diǎn)的距離為半徑r，等于穿刺活檢針內(nèi)徑d的一半，當(dāng)進(jìn)針深度為h、無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)，各標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)標(biāo)注為H′、N′、M′，三角形外心為o′，仍構(gòu)成等邊三角形，而考慮偏轉(zhuǎn)時(shí)，各標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)標(biāo)注為H″、N″、M″，三角形外心為o″，此時(shí)，圓弧oo″的弧長(zhǎng)為h，根據(jù)圓幾何關(guān)系，可得圓弧oo″所在圓半徑R為：

穿刺過(guò)程任意時(shí)刻的外心法線偏移角θ與偏移量δ的關(guān)系為：

在初始進(jìn)針點(diǎn)位置建立直角坐標(biāo)系，進(jìn)針?lè)较驗(yàn)閆軸，X軸、Y軸滿足笛卡爾坐標(biāo)系，則各標(biāo)記點(diǎn)和外心(M、H、N、o)坐標(biāo)為：

當(dāng)進(jìn)針深度為h、無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)，各標(biāo)記點(diǎn)和外心(M′、H′、N′、o′)坐標(biāo)為：

無(wú)論是剛性、還是半剛性、亦或是柔性穿刺活檢針，其偏轉(zhuǎn)時(shí)，各標(biāo)記點(diǎn)構(gòu)成的三角形外心將始終在其針軸線上，且根據(jù)對(duì)應(yīng)各應(yīng)變片的布片方式，在標(biāo)距l(xiāng)上的各應(yīng)變量可認(rèn)為是沿外心法向量的變化量，則考慮偏轉(zhuǎn)時(shí)，各標(biāo)記點(diǎn)和外心(M″、H″、N″、o″)坐標(biāo)為：

根據(jù)式(20)可求得H″N″的中點(diǎn)F的坐標(biāo)為：

向量o″F的坐標(biāo)為：

向量o″M″的坐標(biāo)為：

o″M″＝[rcosθ+ε₍₂₎l sin2θ 0 -r sinθ+ε₍₂₎l cos2θ] (23)

實(shí)際臨床活體或體外穿刺試驗(yàn)表明，穿刺活檢針的偏轉(zhuǎn)角度不超過(guò)5°，故tanθ≈sinθ≈θ，且偏轉(zhuǎn)后的三角形H″M″N″仍為等腰三角形，即向量o″F與向量o″M″為共線向量，兩向量對(duì)應(yīng)坐標(biāo)成比例關(guān)系：

根據(jù)三角函數(shù)的二倍角公式，化簡(jiǎn)式(24)可得：

式(25)理論上沒(méi)有表達(dá)式解，借助MATLAB求解可得：

root(4lε₍₂₎ε₍₆₎m³+4lε₍₂₎ε₍₅₎m³+4ε₍₂₎rm²-ε₍₂₎r+ε₍₆₎r+ε₍₅₎r,m,1)，

root(4lε₍₂₎ε₍₆₎m³+4lε₍₂₎ε₍₅₎m³+4ε₍₂₎rm²-ε₍₂₎r+ε₍₆₎r+ε₍₅₎r,m,2)，

root(4lε₍₂₎ε₍₆₎m³+4lε₍₂₎ε₍₅₎m³+4ε₍₂₎rm²-ε₍₂₎r+ε₍₆₎r+ε₍₅₎r,m,3)，

式(25)方程的根，即偏移角θ就是root函數(shù)里m＝1,2,3的根，代入式(17)，即可計(jì)算得到穿刺過(guò)程任意時(shí)刻穿刺針針頭偏移量δ；

所述各表征方法對(duì)應(yīng)電阻應(yīng)變片的接橋方式是：主應(yīng)力和主方向測(cè)試表征時(shí)將應(yīng)變花的三個(gè)應(yīng)變片分別接在應(yīng)變參數(shù)測(cè)試儀的三個(gè)不同通道端子上，且每個(gè)通道上各個(gè)接橋點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的端口與橋路電壓節(jié)點(diǎn)相同，橋路為半橋連接，溫度補(bǔ)償片為公共補(bǔ)償方式；彎矩測(cè)試表征時(shí)將A點(diǎn)和B點(diǎn)沿軸線x向的兩個(gè)應(yīng)變片按半橋雙臂組成接橋方式；扭矩測(cè)試表征時(shí)將A點(diǎn)和B點(diǎn)沿軸線呈45°的四個(gè)應(yīng)變片按全橋相鄰臂組成接橋方式；偏移量測(cè)試表征時(shí)將120°均布的三個(gè)應(yīng)變片分別接在應(yīng)變參數(shù)測(cè)試儀的三個(gè)不同通道端子上，且每個(gè)通道上各個(gè)接橋點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的端口與橋路電壓節(jié)點(diǎn)相同，橋路為半橋連接，溫度補(bǔ)償片為公共補(bǔ)償方式。